錨桿預應力損失對邊坡穩定性影響分析

■鄧 兵

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，昆明 650041）

預應力錨桿是通過在巖體中埋設受拉桿件，并通過施加一定的預應力來改善巖土體的力學狀態，提高巖土體的穩定性，在邊坡工程中得到廣泛的應用，但同時由于錨桿預應力失效帶來的邊坡失穩事故需引起重視[1-4]。 近年來，國內學者對此進行了一些研究，主要有：宋洋等[5]通過引入描述錨桿彈塑性變形的普蘭特體對外荷載下預應力錨桿損失進行了研究， 并結合室內試驗數據驗證方法的正確性。王輝等[6]從分析錨桿的作用機理和傳力機制出發，總結了預應力錨桿損失影響因素， 并提出補償措施。 李靜芳等[7]從預應力錨固技術研究出發，對錨桿支護在地質災害治理中的應用進行了詳細研究。 本文以某邊坡工程為例，采用數值模擬的方法分析錨桿預應力失效對邊坡穩定性影響，研究結果可為預應力錨桿支護邊皮設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某公路項目路線的修建需要進行臨坡開挖和支護，以保證道路的安全。 如圖1 所示，為邊坡開挖支護斷面示意圖，邊坡巖性可分為2 層，上層為粉土，下層為夾碎塊粉質黏土。 該邊坡工程分為3 級，對下部2 級邊坡進行支護，土體為邊坡的長和高度分別為35 m 和28 m。 第1 級邊坡和第2 級邊坡高度均為8 m，平臺寬度均為3 m，從上至下3 級邊坡的坡角大小依次為30°、45°和60°。擬采用預應力錨桿+混凝土框架梁支護，斷面上每級邊坡設計有3 根錨桿，錨桿長度取12 m，直徑取32 mm，強度等級為HRB400，第1 級邊坡和第2 級邊坡錨桿的傾角分別取15°和20°， 錨桿水平和豎向間距均為3 m。錨桿軸力設計值為500 kN， 施加預應力的值均為320 kN。

圖1 邊坡開挖示意圖

2 模型建立

2.1 PLAXIS 建模

采用有限元軟件PLAXIS 進行建立計算模型，如圖2 所示。 模型x 方向的長度為70 m，高度z 方向的取值為40 m。模型單元格總數量為1842 個，將模型的水平方向及模型底部進行位移鎖定和控制邊界， 計算時采用的本構模型為摩爾-庫倫模型。表1、2 分別給出了為土體、 錨桿和混凝土框架的力學參數。

表1 土體的物理力學參數

圖2 數值模型圖

表2 錨桿和混凝土框架的力學參數

2.2 驗證數值模擬方法的可行性

為了分析數值模擬方法的可行性，將現場監測數據與模擬數據進行對比，監測點1#～6# 分別位于從上至下錨桿位置處。 表3 給出了現場監測數據和數值模擬數據對比，兩者誤差控制在10%內，故本文數值模擬方法是合理的。

表3 現場監測數據和數值模擬數據對比

3 錨桿預應力損失影響分析

為了研究分析錨桿預應力損失對邊坡穩定性影響， 以錨桿預應力損失10%、20%、30%、40%、50%和60%進行分析。

3.1 邊坡位移分析

錨桿預應力損失不同會導致邊坡位移不同，圖3 為不同錨桿預應力損失時的邊坡水平位移云圖，由于篇幅有限，圖3 僅給出了錨桿預應力損失10%和60%時的邊坡水平位移云圖。 由圖可知，不同錨桿預應力損失時的邊坡水平位移規律基本一致，錨桿預應力損失60%時的邊坡水平位移明顯大于損失10%時。

圖3 不同錨桿預應力損失時的邊坡水平位移云圖

為了更加細致地分析邊坡位移隨錨桿預應力損失的變化規律，圖4 給出了邊坡位移隨整體錨桿預應力損失變化曲線，由圖可知，隨著錨桿預應力損失量的增大，邊坡最大位移、水平位移和豎向位移均增大，其中邊坡位移以水平位移為主，豎向位移比水平位移小很多。在錨桿預應力損失小于40%之前，邊坡最大位移和水平位移增速較慢，而當錨桿預應力損失大于40%之后，邊坡最大位移和水平位移增速加快；邊坡豎向隨錨桿預應力損失量增大基本呈現出緩速均勻增長。

圖4 邊坡位移隨整體錨桿預應力損失變化曲線

3.2 邊坡安全系數分析

邊坡安全系數隨整體錨桿預應力損失變化曲線如圖5 所示，由圖可知，隨著錨桿預應力損失量的增大，邊坡安全系數減小，錨桿預應力損失10%、20%、30%、40%、50%和60%時相比于未損失時邊坡安全系數分別減小了6.2%、12.5%、15.3%、19.4%、20.8%和25.0%， 說明錨桿預應力的損失會給邊坡穩定性造成較大的負面影響，尤其是當錨桿預應力損失為60%時，邊坡安全系數為1.079，邊坡此時處于欠穩定狀態。

圖5 邊坡安全系數隨整體錨桿預應力損失變化曲線

3.3 不同級錨桿預應力損失分析

為了分析不同級錨桿預應力損失對邊坡安全系數的影響，將邊坡從下至上分別標記為第1 級邊坡和第2 級邊坡。圖6（a）給出了邊坡位移隨第1 級錨桿預應力損失變化曲線，此時第1 級錨桿均發生預應力損失，第2 級錨桿預應力不變。 由圖可知，邊坡最大位移、水平位移和豎向位移均隨錨桿預應力損失量的增大而增大，其中邊坡位移主要仍以水平位移為主，豎向位移比水平位移小很多。 以最大位移為例， 第1 級錨桿預應力未損失和損失20%、40% 和60% 時對應的位移分別為32.2 mm、33.4 mm、36.4 mm 和37.1 mm， 錨桿預應力損失20%、40%和60%時相比于未損失時邊坡位移分別增大了3.7%、9.3%和15.2%。對于第2 級錨桿，其位移變化規律與圖6（a）相似，以最大位移為例，錨桿預應力未損失和損失20%、40%和60%時對應的位移分別為32.2 mm、32.5 mm、33.1 mm 和33.6 mm，錨桿預應力損失20%、40%和60%時相比于未損失時邊坡位移分別增大了1.0%、2.8%和4.3%。

圖6 邊坡位移隨不同級錨桿預應力損失變化曲線

綜上可知，同等錨桿預應力損失量時，第1 級邊坡的位移大于第2 級，因此在施工中應更加注重下級邊坡防護。

為了對邊坡第1 級和第2 級錨桿預應力損失進行對比，表4 給出了錨桿預應力損失60%時的邊坡安全系數，由表可知，同等預應力損失量時，第1級邊坡安全系數受到的影響大于第2 級邊坡，即在多級邊坡支護時，下部錨桿預應力損失對邊坡穩定性影響更大，在施工過程應更加注重下部邊坡的錨桿支護。

表4 錨桿預應力損失60%時的邊坡安全系數

3.4 不同排錨桿預應力損失分析

為了分析不同排錨桿預應力損失對邊坡安全系數的影響，以第1 級邊坡為研究對象，將第1 級邊坡從下至上分別標記為下排、中排和上排錨桿。由圖7 可知，邊坡最大位移、水平位移和豎向位移均隨錨桿預應力損失量的增大而增大，其中邊坡位移主要仍以水平位移為主，豎向位移比水平位移小很多。以最大位移為例，上排錨桿預應力未損失和損失20%、40%和60%時對應的位移分別為27.2 mm、28.6 mm、31.9 mm 和35.4 mm，相比于未損失時邊坡位移分別增大了3.7%、17.2%和30.1%。 中排錨桿預應力未損失和損失20%、40%和60%時對應的位移分別為27.2 mm、27.4 mm、27.9 mm 和28.9 mm， 相比于未損失時邊坡位移分別增大了0.7%、2.6%和6.3%。下排錨桿預應力未損失和損失20%、40%和60%時對應的位移分別為27.2 mm、28.1 mm、31.1 mm 和34.0 mm，相比于未損失時邊坡位移分別增大了3.3%、14.3%和25.0%。

圖7 邊坡位移隨不同排錨桿預應力損失變化曲線

綜上可知，同等損失量時，上排錨桿預應力損失時邊坡位移最大，其次是下排，最小的是中排，因此在施工中應更加注重上排和下排級邊坡防護。

為了對上、中、下排錨桿預應力損失進行對比，給出了錨桿預應力損失60%時的邊坡安全系數，如表5 所示。 由表可知，同等損失量時，上排錨桿預應力損失對應邊坡安全系數受到的影響最大，其次是下排，最小的是中排，即在同一級邊坡支護時，上排和下排錨桿預應力損失對邊坡穩定性影響更大，在施工過程應更加注重最上排和最下排錨桿支護。

表5 錨桿預應力損失60%時的邊坡安全系數

4 結論

（1）通過將現場實測數據和數值模擬數據進行對比，兩者差值小于10%，說明了數值模擬結果的正確性。

（2）隨著錨桿預應力損失量的增大，邊坡最大位移、水平位移和豎向位移均增大，其中邊坡位移主要以水平位移為主，豎向位移比水平位移小很多。

（3）錨桿預應力的損失會給邊坡穩定性造成較大的負面影響， 尤其是當錨桿預應力損失為60%時，邊坡安全系數為1.079，邊坡此時處于欠穩定狀態。

（4）同等損失量時，第1 級邊坡錨桿預應力損失安全系數受到的影響大于第2 級邊坡，即在多級邊坡支護時，下部錨桿預應力損失對邊坡穩定性影響更大，在施工過程應更加注重下部邊坡的錨桿支護。

（5）同一級邊坡支護時，上排和下排錨桿預應力損失對邊坡穩定性影響更大，在施工過程應更加注重最上排和最下排錨桿支護。